南京佳力图机房环境技术股份有限公司
摘要：在机房空调设计中，为了获得更大的换热面积，蒸发器一般设计成V型或A型。但是，V型或A型蒸发器的空气流场分布不均，空气流速过高导致制冷剂过热度过大，空气流速过低又导致制冷剂蒸发不充分，最终都会引起冷量损失。结合使用CFD软件模拟的V型蒸发器速度流场和局部表面热力学模拟的冷量分布，准确量化了上述冷量损失。我们提出了具体的改善空气流场及制冷剂流量分布不均的方法，并使用CFD软件和局部表面热力学进行了模拟演示和验证，另外，计算机模拟的结果也得到了工程实验的初步验证。
关键词：V型蒸发器 空气流场分布不均 工程解决方法
★ Nanjing Canatal Data Centre Environmental Tech Co., Ltd，Nanjing，China
Abstract：The V-shaped or A-shaped evaporators are commonly selected for data center air conditioning system designs for the benefit of expanded heat transfer surfaces at a given space. On the other hand, this design creates the problems of uneven air flow distribution over the heat transfer surface. Higher air flow rate result in refrigerant over superheating while lower air flow rates cause refrigerant under-evaporation, all associated with the loss of cooling capacity and efficiency. In this paper, we first quantified these losses based on the CFD software flow simulation of a V-shaped evaporator and EES software thermodynamics simulation of regional refrigerant passages. Engineering solutions, from both air and refrigerant side, are then proposed and simulated to overcome the maldistributions between the airflow and refrigerant flows. Preliminary experiment verified the proposed solution.
Keywords：V-shaped Evaporator，maldistribution of air flow，engineering solution
0 引言
在数据中心领域，随着云计算需求和技术的快速发展，数据中心能源的消耗得到越来越多的关注。研究表明，在2010年数据中心消耗的电能占据所有电量消耗的1.1%-1.5%，其中机房空调的电量消耗约占37%。因此，提高机房空调能效比、降低机房空调运行能耗是一项十分重要的工作。而提高蒸发器的换热效率、减少冷量损失是提高机房空调能效比的首要工作。
1 主要研究工作
国内外知名学者在提升蒸发器效率方面有了大量的研究。
韩维哲，丁国良等人研究表明换热器内制冷剂流程布置对换热器的整体性能有着重要影响[1]。靳世文、马崇扬等人建立翅片管式蒸发器的数学模型，通过计算程序对蒸发器进行稳态仿真，分析蒸发风量、制冷剂流量和蒸发器结构形式等因素对蒸发器性能的影响[2]。周翔等人建立翅片管式蒸发器的稳态仿真模型，分析了风速不均匀性对换热器性能的影响[3]。
Lee等人提出了一种理论模型用于预测翅片管式蒸发器的制冷量，该模型采用一维的方法研究气流的不均匀性，他们的研究发现，气流的分配不均会造成最大制冷量降低9%[4]。Payne和Domanski等人在实验中控制蒸发器各流路制冷剂的流量分配，使得各流路出口的过热度相同，并通过这种实验方法研究蒸发器的潜在能力[5]。
本文的主要研究工作是利用CFD仿真软件对“V”型蒸发器空气流场分布不均的典型问题进行仿真计算研究，分析发掘合理可行的解决方法及应用方案，并设计相应的实验对CFD仿真计算结果进行定性分析和验证。
2 研究方法
空调制冷系统中的制冷剂流动过程是动态和相互影响的，很难独立分析某一因素对整个系统性能的影响。但是，通过数值模拟计算，可以忽略其它次要因素，更加专注地对影响系统性能的主要因素进行深入分析研究。
研究包括三部分内容：1)对蒸发器进行CFD仿真模拟；2）通过工程方程求解器（EES）对空调系统进行数值模拟；3）对模拟结果进行初步实验验证。
2.1 蒸发器空气侧气流分布状态CFD仿真
通过CFD仿真软件ABAQUS（学生版本6.142，达索系统）进行稳态的CFD仿真。在ABAQUS 中，采用Spalart-Allmaras 湍流模型仿真湍流流动，Spalart-Allmaras模型是涡粘性系数的传输方程。微分方程是在量纲分析的经验参数、伽利略不变性原理和分子粘性选择性相关方法的基础上推导出来的[6]。
CFD仿真计算的网格经过测试，确保仿真得到的速度分布图与网格的大小无关。V型蒸发器3D模型非常复杂，对计算机要求也非常高，为了简化计算，将每片盘管简化为一个具有25个垂直空气通道的模型。计算模型中的气流通道的宽度和长度进行了反复修改验证，以确保计算模型与真实模型更加匹配。CFD仿真过程中忽略对流换热的影响。
2.2 建立空调系统的EES模型
空调系统数值模拟模型就是基于图1搭建。通过数值模拟，可以追踪图1所示制冷循环各状态点的制冷剂参数。在数值模拟中，忽略制冷剂流动产生的压降、压缩机等熵效率、压缩机容积效率等因素对制冷循环的影响。
空调系统蒸发器表面上每个流路区域对应的平均风速差异较大，可以使用气流分布系数来来描述气流分布不均这一现象，气流分布系数Fair = Vf /Vm，式中，Vf表示某一分区域的气流速度， Vm表示平均气流速度[7]。
图2-A)说明了理想的蒸发器设计条件下，各流路对应的蒸发器表面空气流量分布与制冷剂的的流量分布是均匀匹配的，蒸发器各流路之间的传热系数和温度梯度是相同的。此时的蒸发器换热效果均衡，效率最高。图2-B)说明了一个典型的V型蒸发器设计中存在的蒸发器表面空气流量分布与制冷剂的的流量分布不匹配的的问题，蒸发器效率偏低，空调性能偏差。
空气流经每个制冷剂流路的热损失量应该等于该制冷剂流路能够产生的制冷量。，即Q˙ air = Q˙L 。
空气的热损失量可以定义为：
空气的热损失量可以定义为：
Q˙ air = m˙ Cp∆T = m˙ Cp (Tin − Tout) (1)
式中，m˙ 是空气质量流量；Cp 是空气的比热容；∆T 是空气的平均温差。
空气质量流量可以表示为：
m˙ = ρAv ， (2)
式中，ρ 是空气密度；A 是空气流通横截面积；v是气流的平均速度 。
空气质量流量与气流速度成正比，如果忽略温度对空气质量流量的微弱影响，那么，对每个制冷剂流路而言，流经的空气的热损失量可以近似等价为气流平均速度的线性函数：
Q˙ air = kv + b (3)
式中，k和 b是根据能量守恒定律确定的常数。常数k和b可以根据制冷剂离开蒸发器出口达到理想状态时的平均速度分布来假设确定。常数b代表自然对流的影响。
每个制冷剂流路的吸热量可以表示为：
Q˙L. = m˙ (h1i − h4)(4)
式中，m˙ 是每个制冷剂流路中的制冷剂质量流量；h4是制冷剂流路进口端制冷剂的焓值；h1i是制冷剂流路出口端制冷剂的焓值。假设每个制冷剂流路中的制冷剂质量流量分配是相同的。
通过CFD仿真模拟，可以获取气流的速度分布数据，根据该速度分布数据，对方程式（3）和（4）进行求解，可以计算出每个制冷剂流路的吸热量Q˙L和出口焓值h1i。再通过EES模型，可以计算其它系统参数。
2.3 实验装置
研究过程中设计了相应的实验验证装置，如图4所示。该实验装置包括V型蒸发器、热力膨胀阀、涡旋压缩机、风冷冷凝器（未在照片中体现）等部件。
3 结果与讨论
本文研究了4个案例，其中，案例1提供了理论基准，案例3、4提出了解决方法。
3.1 案例1——理想空调制冷系统的数值模拟分析（基准案例）
在想空调制冷系统的数值模拟分析过程中，冷凝器中制冷剂液体过冷温度(Tsubc)为5℃，蒸发器中制冷剂蒸汽过热温度(Tsuph)为10℃，蒸发温度5℃，冷凝温度为45℃，理论计算COP=5.8。
3.2 案例2——原始V型蒸发器空气侧气流分布不均仿真研究
该案例主要研究V型蒸发器气流分布不均带来的不利影响。图5是通过CFD仿真计算获得的原始V型蒸发器空气侧压力分布云图。空气从顶部进口进入，经过蒸发器后从底部出口流出。顶部进口压力高，底部出口压力低。蒸发器进口侧和出口侧的空气压力沿着气流方向降低。
3.3 案例3——调整制冷剂流量来匹配空气流量分布（解决方法）
该案例中，通过调整制冷剂的流路长度来改变制冷剂的管内流动阻力的方式调节制冷剂流量。将本次研究中使用的蒸发器流路重新调整，下部5个通道的管数由8根调整至6根，将上部5个通道的管数由8根调整至10根，中部15个通道的管数仍然保持8根，这样，每个流路中的制冷剂流量与空气侧流量能够更加合理地匹配，蒸发器整体效率和空调制冷系统的性能得以提高。经过数值模拟计算，蒸发温度5℃、冷凝温度为45℃条件下，理论计算COP=5.54，较案例2提高了2.6%。
3.4 案例4——调整空气流量分布匹配制冷剂流量（解决方法）
在该案例中，在蒸发器迎风表面上安装了一层空气过滤网，其内部是细密的多孔结构，具备灵活的自动匹配空气流动阻力的功能，能够有效地调整气流分布状况。蒸发器迎风面上的速度分布状况如图9所示，根据模拟结果，蒸发器迎风面底部气流分布系数Fair-B =1，顶部Fair-T ≈0.67，气流分布系数自下而上逐渐减小。这种方案几乎不会增加机组的成本。
3.5 实验结果
对案例2和案例4两个典型案例进行实验验证，实验样机如图4所示。在测试过程中，冷凝温度45℃，过冷度5℃，蒸发温度5℃，过热度5℃。
案例2和案例4的实验V型蒸发器左右盘管中流路1至流路10的出口制冷剂温度参数见表1。从该数据可以分析，越靠近蒸发器底部，制冷剂流路的出口制冷剂温度越高；越靠近蒸发器顶部，制冷剂流量的出口制冷剂温度越低。靠近底部的流路匹配着较高的平均风速，流路中的制冷剂得到充分蒸发，并且在流路出口位置具有较大的（或者稳定的）过热度。而靠近顶部的流路则匹配着较低的平均风速，流路出口的制冷剂过热度较小。更为严重的是，当蒸发器迎风面平均风速分布差异过大时，靠近顶部流路匹配着更小的迎面平均风速，管内制冷剂不能完全蒸发，在流路出口位置仍然是含有少量制冷剂液滴的气液混合物，其过热温度是非常接近饱和温度的，这将会导致热力膨胀阀的控制产生振荡，也会造成实际的蒸发温度低于设计值。
对比案例2和案例4的实验结果，可以发现，案例4蒸发器各流路出口的制冷剂温度分布更加均匀。另外，实验中测得的COP值比案例2提高了4.1%。由此可以说明，案例4的设计方案有效改善了V型蒸发器气流分布不均的问题。
4 结论
本文结合使用CFD软件模拟的V型蒸发器速度流场和局部表面热力学模拟的冷量分布，准确量化了气流不均引起的冷量和能效损失，并提出了具体的改善空气流场及制冷剂流量分布不均的方法：
1）调整空调蒸发器的流路，使之与气流分布特点匹配。
2）在蒸发器迎风面安装过滤网，使得蒸发器迎风面上的速度分布更加均匀，与制冷剂流量分布更加匹配。
上述2种解决方法经过了初步的实验验证，V型蒸发器气流分布不均的系列问题是可以通过相应的优化设计方案来改善的。当然，这些方法在工程应用中，需要根据机组的不同结构及应用特点来进行详细的优化设计。
参考文献:
[1] 韩维哲，丁国良.翅片管式蒸发器流程布置的优化改进与实验验证[C]. 上海市制冷学会2007年学术年会论文集2007年，2007.
[2] 靳世文，马崇扬，赖天伟，袁秀玲.空调用翅片管式蒸发器的模拟与分析[J].制冷与空调，2008,8（4）:101-104.
[3] 周翔. 进风不均匀翅片管式蒸发器的模拟[J].《机电设备》,2006,23(3):61-65.
[4] J. Lee and P. A. Domanski. Impact of air and refrigerant maldistributions on the performance of finned-tube evaporators with r-22 and r-407c[R]. Final Report, ARTI MCLR Project, no. 665-54500, 1997.
[5] W. V. Payne and P. Domanski. Potential Benefits of Smart Refrigerant Dis- tributors[R]. Final Report,DIANE Publishing, 2002.
[6] C. Rumsey, B. Smith, and G. Huang. Langley research center turbulence mod- eling resource. http://turbmodels. larc. nasa. gov/[retrieved 13 Nov. 2015], 2012.
[7] M. R. Kærn and B. Elmegaard. Analysis of refrigerant maldistribution: in fin-and-tube evaporators[J]. Danske Køledage, pp 25–35, 2009.
☆ 许海进，男，1985年7月生，大学本科，工学学士学位，中级工程师，机房空调研发工程师,211112，南京市江宁经济技术开发区苏源大道88号，（0）13913807764,E-mail：xuhaijin@canatal.com.cn
论文作者:许海进☆, 张新宇,张卫星,张宗勤
论文发表刊物:《基层建设》2017年3期
论文发表时间:2017/5/9
标签：蒸发器论文; 制冷剂论文; 气流论文; 流量论文; 空气论文; 案例论文; 不均论文; 《基层建设》2017年3期论文;